中國儲能網(wǎng)訊：電動汽車的心臟—電池
本期筆者主要討論電動汽車的心臟—電池。
為什么說電池是電動汽車的心臟？這要先從電動汽車的歷史說起。一說起電動新能源車，很容易將其歸納為一個全新的技術(shù)以及事物。其實，電動車的歷史遠(yuǎn)比想象的早，甚至早于燃油汽車。美國人托馬斯·達文波特于1834年制造出第一輛直流電機驅(qū)動的電動車；1838年蘇格蘭人羅伯特·戴維森發(fā)明了電驅(qū)動的火車；時至今日依然使用的有軌電車是1840年在英國出現(xiàn)的專利。世界上第一輛電動汽車于1881年誕生，發(fā)明人為法國工程師古斯塔夫?特魯夫，這是一輛用鉛酸電池為動力的三輪車。之后就出現(xiàn)了以鉛酸電池、鎳鎘電池、鎳氫電池、鋰離子電池等燃料電池作為電力。
可以看到，雖然電動汽車早于燃油車發(fā)展，并在早期取得了一定的規(guī)模，但在近代，由于燃油汽車的大力發(fā)展，使電動汽車在競爭中受挫。但真正的問題是，過去以鉛酸電池為主的電動車，受制于鉛酸電池的密度、壽命、功率等多方面限制，一直沒有辦法在動力源，也就是電池方面取得突破，以至于使電動汽車發(fā)展陷入停滯。
鋰電池的分類及優(yōu)缺點
這一問題直到鋰電池的出現(xiàn)且經(jīng)20年大力發(fā)展才得以逐步改善解決。
鋰電池通常分兩大類：
鋰金屬電池：鋰金屬電池一般是使用二氧化錳為正極材料、金屬鋰或其合金金屬為負(fù)極材料、使用非水電解質(zhì)溶液的電池。
鋰離子電池：鋰離子電池一般是使用鋰合金金屬氧化物為正極材料、石墨為負(fù)極材料、使用非水電解質(zhì)的電池。
雖然鋰金屬電池的能量密度高，理論上能達到3860瓦/公斤。但是由于其性質(zhì)不夠穩(wěn)定而且不能充電，所以無法作為反復(fù)使用的動力電池。而鋰離子電池由于具有反復(fù)充電的能力，被作為主要的動力電池發(fā)展。但因為其配合不同的元素，組成的正極材料在各方面性能差異很大，導(dǎo)致業(yè)內(nèi)對正極材料路線的紛爭加大。
通常我們說得最多的動力電池主要有磷酸鐵鋰電池、錳酸鋰電池、鈷酸鋰電池以及三元鋰電池（三元鎳鈷錳）。
以上各類電池都有優(yōu)缺點，大致歸納為：
磷酸鐵鋰：
優(yōu)點：壽命長、充放電倍率大、安全性好、高溫性好、元素?zé)o害、成本低。
缺點：能量密度低、振實密度低（體積密度）。
三元鋰：
優(yōu)點：能量密度高、振實密度高。
缺點：安全性差、耐高溫性差、壽命差、大功率放電差、元素有毒（三元鋰電池大功率充放電后溫度急劇升高，高溫后釋放氧氣極容易燃燒）。
錳酸鋰：
優(yōu)點：振實密度高、成本低。
缺點：耐高溫性差，錳酸鋰長時間使用后溫度急劇升高，電池壽命衰減嚴(yán)重（比如日產(chǎn)電動車LEAF）。
鈷酸鋰：
通常用于3C產(chǎn)品，安全性極差，不適合做動力電池。
理論上，我們需要的電池應(yīng)該是能量密度高、體積密度高、安全性好、耐高溫低溫、循環(huán)壽命長、無毒無害、可大功率充放電，聚所有優(yōu)點為一體而且低成本。但目前并不存在這樣的電池，那么在不同種類電池的優(yōu)缺點中就需要取舍。而且，不同的電動車對電池的需求點也是不同的，因此只有立足于長遠(yuǎn)地對電動汽車作出判斷，才能有利于我們正確地判斷電池路線的選擇。
磷酸鐵鋰電池的優(yōu)越性
這里就需要回溯前兩篇的論述，我們分析了未來的電動汽車應(yīng)該以小里程、快充電的電動汽車為主。而目前家用車需要長續(xù)航的雙?；旌蟿恿?，以及公交市場的大續(xù)航純電汽車。那么這樣的車需要什么樣的電池？
一、安全
首先安全是汽車必備的前提。汽車不同于手機和電腦，汽車在高速行駛中有可能遇到眾多不可預(yù)知因素，比如車禍造成的電池擠壓和撞擊。而任何一個不利的因素，都有可能造車車毀人亡。我們可以看到一些老年代步車使用劣質(zhì)的鉛酸電池，完全沒有安全保障，電池自燃、受撞擊燃燒的案例比比皆是。再比如特斯拉近一年的連續(xù)著火事件，雖然得利于特斯拉的安全設(shè)計并沒有出現(xiàn)人員傷亡。但同時也要看到，這幾次事件都是非常輕微的碰撞事故，碰撞本身對車和人并無傷害，而電池卻著火了，那么如果是更嚴(yán)重的事故呢？
二、高倍率放電壽命
普通汽車使用壽命長達數(shù)十年，一輛電動汽車的電池，10年至少需要3000次的循環(huán)壽命。電池作為比較貴的部件，壽命能否與車等同是非常重要的，既要保證車輛的性能又要保證車主的利益，這樣才能利于市場的推動。目前世界各車企的電動汽車，只有去年上市的比亞迪“秦”做到了電芯終生質(zhì)保。
電池的壽命也就是循環(huán)壽命，并非簡單的電池參數(shù)給出的數(shù)字。電池的循環(huán)壽命和電池的循環(huán)狀態(tài)是息息相關(guān)的，比如放電倍率、充電倍率、溫度等。通常電池實驗室數(shù)據(jù)得出的循環(huán)壽命，是以0.3C恒定的充放電倍率，在20度恒定最佳溫度下得到的。但是在實際用車過程中，倍率和溫度都是非恒定的。這也就是為什么通常無論是筆記本、手機，還是電瓶車的電池，實際使用中的壽命都遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如廠商給出的數(shù)據(jù)的原因。而中小里程純電以及長續(xù)航雙?；旌蟿恿?，因為所帶的電池比較少，對其放電的要求就會更高，對壽命的影響就會更大。
比如A123的磷酸鐵鋰電池，通常循環(huán)壽命可以到3000次以上。但是，A123的磷酸鐵鋰航模電池，以10C的充電倍率、5C的放電倍率使用，實驗室中的壽命縮短到只有600次，而真正實際使用中只有400次左右，可見放電倍率對壽命的影響。
再以比亞迪“秦”為例，只有13KWH的電池驅(qū)動峰值功率110KW的電機。可以計算出，當(dāng)“秦”滿電時其最大放電倍率高達8.4C。尤其是當(dāng)“秦”只有50%電量時，其最大放電倍率可以達到18C。如果電量再低放電倍率將超過25C，這會極大地縮短電池的壽命。
再看P85度電的特斯拉，最大功率310KW的電機，看起來很龐大，其實電池放電倍率不過4C。在只有30%的電量時，最大放電倍率也不過10C。而且特斯拉的大容量電池，在極大程度上避免電池處于大功率的放電之中。
通過簡單的對比，就可以看出比亞迪電池的高倍率放電壽命的優(yōu)越性。
三、溫度適應(yīng)性
極寒對電池的影響，主要表現(xiàn)在充放電倍率低和電容量減少；極熱對電池的影響，主要表現(xiàn)為壽命減低、高溫安全性以及充放電能力下降。
極寒對于電池的影響相對較輕，因為一般鋰電池都可以在零下20度以下使用，而且在電池的放電過程中本身就會產(chǎn)生熱量，但能耗的增加以及電量的減少不可避免。
極寒對純電車的影響和對雙?；旌蟿恿囉植灰粯印＜冸妱榆囈驗闆]有其他動力來源，在極寒情況下要達到合適的溫度，必須依靠電池放電加熱，那么對于能耗以及續(xù)航里程就會有很大影響。特斯拉在冬天無論是百公里能耗以及續(xù)航里程都和平時有顯著不同。
對于雙模混合動力影響就較弱。因為混動有發(fā)動機作為備用提供能量。比如去年11月份比亞迪在包頭舉行的“秦”推廣活動，當(dāng)時夜間氣溫在零下15至20度，在早晨極寒的情況下啟動車輛，系統(tǒng)會自動切換到HEV模式，發(fā)動機帶動空調(diào)，迅速提高車內(nèi)溫度，當(dāng)溫度提高以后再切換回EV模式。
極熱對純電和混動影響都很大，比如電池本身大功率放電溫度就會升高。以普通鋰離子電池為例，20C的放電，電池的溫度可以提升到接近50度。這么高的溫度，不僅對電池的壽命有影響，更重要的是安全隱患。比如特斯拉的三元電池在高溫環(huán)境下會釋放氧氣，而氧氣是易燃物體。特斯拉通過循環(huán)冷卻系統(tǒng)降低溫度、以硬外殼包裹隔離電池以防止氧氣溢出。但是當(dāng)遇到撞擊時還是難免起火。
四、能量密度
能量密度，顧名思義就是單位重量的電池所能容納的能量。能量密度通常是判斷電池優(yōu)略的重要指標(biāo)，但是在筆者的分析體系里，能量密度在電池性能指標(biāo)中不是很重要。
原因有兩個：
1.能量密度必須結(jié)合其他性能。比如磷酸鐵鋰電池的能量密度確實不高。但是因為其安全穩(wěn)定耐高溫等特點，以磷酸鐵鋰為電芯所組成的電池極為簡單，不需要太多保護輔助設(shè)備。而特斯拉的三元電池雖然電池電芯密度很高，但由于其安全性差不耐高溫，所以必須結(jié)合一套復(fù)雜的電池保護設(shè)備，而這些設(shè)備都加大了汽車的重量。有報道稱在發(fā)生連續(xù)燃燒事故后，特斯拉又準(zhǔn)備加厚電池保護設(shè)備，這就將三元電池的能量密度優(yōu)勢消弱了。
2.重量對于汽車的影響不大，特別是對于未來電動汽車的主流趨勢混合動力以及小里程純電動汽車。我們可以設(shè)想，以130千瓦時/公斤能量密度和200千瓦時/公斤能量密度的電池做一個對比。即使是最大的80度總電量，兩種電池的重量差不過200KG。
這對于一輛接近2噸的汽車影響很低。
因此筆者認(rèn)為，盡管電池的能量密度自然是越大越好，但并不必要刻意追求最大。特別是能量密度越大越不穩(wěn)定，這是基本常識。只要達到夠用的程度，能量密度不是太重要。
五、成本
成本非常好理解，要廣泛普及必須要有成本優(yōu)勢，這在本系列第一篇也已經(jīng)計算過。小里程純電或者混動電動車，一方面需要減少車載電池量節(jié)約電芯成本，另一方面需要降低電池包+保護設(shè)備的成本。因此我們發(fā)現(xiàn)，特斯拉的電芯成本雖然較低，但是整體成本依然居高不下。
通過以上論述我們知道，不同鋰離子電池都有天然優(yōu)點和缺點。但重要的是，如何對未來電動車發(fā)展的重點要素排序，這樣才能選出適合潮流的電池。綜上，從安全、壽命、放電能力、溫度適應(yīng)、能量密度、成本等因素綜合考慮，筆者認(rèn)為磷酸鐵鋰電池最適合未來電動汽車電池的發(fā)展方向。
